DE19963280C1

DE19963280C1 - Air conditioning system for aircraft cabins

Info

Publication number: DE19963280C1
Application number: DE19963280A
Authority: DE
Inventors: Alfred Sauterleute
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: ES2255944T3; DE50012226D1; US20010004837A1; EP1112930A3; EP1112930B1; EP1112930A2; CA2327186A1; US6519969B2

Abstract

Es wird ein Klimatisierungssystem für Flugzeuge vorgeschlagen, bei dem ein Teil des aufzubereitenden Frischluftstroms bei hohem Druck aus einem Triebwerk abgezapft wird und ein anderer Teil aus der Umgebung angesaugt wird. Das Energiepotential des Zapfluftstroms wird genutzt, um die Umgebungsluft zu verdichten. Die verdichtete Umgebungsluft und die Zapfluft werden zu einem Mischluftstrom gemischt, bevor dieser in einer oder mehreren Turbinenstufen (T1, T2) entspannt wird. Zwischen dem Mischpunkt (X) und der ersten Turbinenstufe 1 (T1) wird Wasser aus dem Mischluftstrom abgeschieden. Um den Zapfluftstrom auf eine Temperatur zu kühlen, um überhaupt Wasser abscheiden zu können, wird der Zapfluftstrom an dem gesamten kühleren Mischluftstrom vorbeigeführt, vorzugsweise in zwei Stufen (REH, CON), nämlich einmal vor der Entspannung und ein weiteres Mal nach der Entspannung des Mischluftstroms in der ersten Turbinenstufe (T1). In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verdichtung der Umgebungsluft zweistufig, wobei jeweils ein Verdichterrad (C1, C2) und ein Turbinenrad (T2, T1) (zweistufige Entspannung) gemeinsam auf einer Welle angeordnet sind.An air conditioning system for aircraft is proposed, in which part of the fresh air flow to be treated is drawn off from an engine at high pressure and another part is sucked in from the environment. The energy potential of the bleed air flow is used to compress the ambient air. The compressed ambient air and the bleed air are mixed into a mixed air stream before it is expanded in one or more turbine stages (T1, T2). Water is separated from the mixed air stream between the mixing point (X) and the first turbine stage 1 (T1). In order to cool the bleed air flow to a temperature in order to be able to separate water at all, the bleed air flow is guided past the entire cooler mixed air flow, preferably in two stages (REH, CON), namely once before the expansion and a second time after the expansion of the mixed air flow in the first turbine stage (T1). In a preferred embodiment, the ambient air is compressed in two stages, a compressor wheel (C1, C2) and a turbine wheel (T2, T1) (two-stage expansion) being arranged together on one shaft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zum Aufbereiten von unter Überdruck stehender Luft zur Klimatisierung eines Raumes, ins besondere zur Klimatisierung von Flugzeugkabinen, und ein entsprechen des Verfahren.The invention relates to an air conditioning system for processing air under pressure to air-condition a room, ins special for the air conditioning of aircraft cabins, and a correspond of the procedure.

Die Frischluft zur Klimatisierung von Flugzeugkabinen wird üblicher weise aus der dem Triebwerk mit hohem Druck und hoher Temperatur abgezapften Luft, der sogenannten Zapfluft ("Bleed"), aufbereitet. Die Klimatisierungssysteme ziehen die zur Aufbereitung erforderliche Kühl leistung aus dem Druck- und Temperaturpotential der vorverdichteten Triebwerkluft. Die Zapfluft wird im Laufe des Frischluftaufbereitungs prozesses abgekühlt und auf den Kabinendruck von 1 bar im Bodenbe trieb bzw. etwa 0,8 bar im Flugbetrieb entspannt. Im Zuge der Frisch luftaufbereitung wird die Luft auch entfeuchtet, um eine Vereisung einzelner Bestandteile des Klimatisierungssystems und eine Eiskristall bildung in der aufzubereitenden Frischluft zu verhindern. Die Notwen digkeit der Entfeuchtung besteht allerdings hauptsächlich im Bodenbe trieb, weil im Flugbetrieb, d. h. in großen Höhen, die Umgebungsluft und damit die abgezapfte Triebwerkluft ohnehin extrem trocken ist.Fresh air for air conditioning in aircraft cabins is becoming more common wise from the engine with high pressure and high temperature bleed air, the so-called bleed air, processed. The Air conditioning systems draw the cooling required for processing performance from the pressure and temperature potential of the pre-compressed Engine air. The bleed air is in the course of fresh air treatment process cooled and to the cabin pressure of 1 bar in the floor powered or relaxed about 0.8 bar in flight. In the course of the Frisch air treatment, the air is also dehumidified to freeze individual components of the air conditioning system and an ice crystal to prevent formation in the fresh air to be treated. The need The dehumidification is mainly in the soil drove because in flight operations, d. H. at great heights, the ambient air and so the blown engine air is extremely dry anyway.

Anhand Fig. 4 wird nachfolgend ein Klimatisierungssystem beschrieben, wie es in den heutigen Passagierflugzeugen von Airbus und Boeing, beispielsweise dem A330/340 und Boe 757/767, eingesetzt wird.With reference to Fig. 4, an air-conditioning system will be described below as it is used in today's passenger aircraft of the Airbus and Boeing, for example the A330 / 340 and Boe 757/767.

Über ein Durchsatzregelventil FCV ("Flow Control Valve") wird die jenige Menge Zapfluft ("Bleed") einem Triebwerk entzogen und dem System mit 1,5 bis 3,5 bar und 150°C bis 230°C zugeführt, die zur Frischluftversorgung für die Kabine benötigt wird. Im Bodenbetrieb wird die Zapfluft einem Hilfstriebwerk entzogen und dem System mit etwa 3 bar zugeführt. Die Zapfluft wird zunächst durch einen Primärwärme tauscher PHX ("Primary Heat Exchanger") geleitet und auf ca. 100°C abgekühlt. Dann wird die Zapfluft in einem Verdichter C ("Compres sor") weiter verdichtet auf ca. 4,5 bar und 160°C und in einem Haupt wärmetauscher MHX ("Main Heat Exchanger") wieder abgekühlt auf ca. 45°C. Der hohe Druck von 4,5 bar ist erforderlich, um in dem nachfol genden Wasserabscheidekreislauf einen hohen Entfeuchtungsgrad reali sieren zu können. Dieses System ist daher auch als "Hochdruckwasserabscheidekreislauf" bekannt.Via a flow control valve FCV ("Flow Control Valve") the that amount of bleed air is extracted from an engine and the System supplied with 1.5 to 3.5 bar and 150 ° C to 230 ° C, which for Fresh air supply for the cabin is needed. In ground operation the bleed air is extracted from an auxiliary engine and the system at about 3 bar fed. The bleed air is initially generated by a primary heat exchanger PHX ("Primary Heat Exchanger") and at about 100 ° C cooled down. The bleed air is then fed into a compressor C ("Compres sor ") further compressed to approx. 4.5 bar and 160 ° C and in one main heat exchanger MHX ("Main Heat Exchanger") cooled down to approx. 45 ° C. The high pressure of 4.5 bar is required in order to a high degree of dehumidification to be able to. This system is therefore also called "High pressure water separation circuit" known.

Der Hochdruckwasserabscheidekreislauf umfaßt einen Kondensator CON ("Condensor"), wie er in EP 0 019 493 A3 vorgeschlagen ist, und einen dem Kondensator CON nachgeschalteten Wasserabscheider WE ("Water Extractor"). Die komprimierte, gekühlte Zapfluft wird in dem Kondensa tor CON um etwa ΔT = -15 K abgekühlt, das kondensierte Wasser wird dann im Wasserabscheider WE abgeschieden, und anschließend wird die so entfeuchtete Luft in einer Turbine T auf den Kabinendruck von etwa 1 bar entspannt, wobei die Temperatur am Turbinenausgang etwa -30°C beträgt. Die so aufbereitete Zapfluft wird, noch bevor sie als Frischluft in einer Mischkammer mit rezirkulierter Kabinenluft vermengt wird, in wärmetauschender Weise durch den Kondensator CON des Hochdruck wasserabscheidekreislaufs geleitet, um die komprimierte, gekühlte Zapf luft auf die zur Wasserabscheidung im Wasserabscheider WE notwendi ge Temperatur abzukühlen. Dabei erwärmt sich die in der Turbine T entspannte und gekühlte Luft wieder entsprechend um ΔT = +15 K auf etwa -15°C.The high pressure water separation circuit comprises a condenser CON ("Condensor"), as proposed in EP 0 019 493 A3, and one the water separator WE ("Water Extractor "). The compressed, cooled bleed air is in the condenser tor CON cooled by about ΔT = -15 K, the condensed water then separated in the water separator WE, and then the so dehumidified air in a turbine T to the cabin pressure of about 1 bar relaxed, the temperature at the turbine outlet about -30 ° C is. The bleed air prepared in this way is before it is even fresh air is mixed with recirculated cabin air in a mixing chamber, in heat exchange through the condenser CON of the high pressure water separation circuit passed to the compressed, cooled tap air to the necessary for water separation in the water separator WE cool the temperature. This heats up the turbine T relaxed and cooled air again by ΔT = +15 K. about -15 ° C.

Die klimatisierte Luft wird dann in einer nicht dargestellten Misch kammer mit rezirkulierter Kabinenluft gemischt. Mittels eines Tem peraturregelventils TCV kann die Temperatur am Turbinenaustritt erhöht werden, um eine optimale Mischtemperatur mit der zugemischten, re zirkulierten Kabinenluft zu erhalten. Zu diesem Zweck wird von der im Vorwärmetauscher PHX vorgekühlten Zapfluft ein Teil abgezweigt und hinter der Turbine T dem aufbereiteten Luftstrom wieder zugeführt. The conditioned air is then in a mixture, not shown chamber mixed with recirculated cabin air. Using a tem temperature control valve TCV can increase the temperature at the turbine outlet to ensure an optimal mixing temperature with the admixed, right to maintain circulated cabin air. For this purpose, the im Partly branched and preheated PHX pre-cooled bleed air fed back to the processed air flow behind the turbine T.

In dem Hochdruckwasserabscheidekreislauf ist zusätzlich zu dem Kon densator CON ein dem Kondensator CON vorgeschalteter Wärme tauscher REH ("Reheater") vorgesehen. Durch den Wärmetauscher REH wird zunächst die komprimierte, gekühlte Zapfluft geleitet, bevor sie in den Kondensator CON eintritt, und anschließend wird durch den Wär metauscher REH die dann entfeuchtete Luft erneut geleitet, bevor sie in die Turbine T eintritt. Der Wärmetauscher REH hat dabei im wesent lichen die Aufgabe, die entfeuchtete Luft um etwa ΔT = 5 K zu er wärmen und aus der entfeuchteten Luft Restfeuchte bei gleichzeitiger Energierückgewinnung zu verdampfen, bevor die Luft in die Turbine eintritt. Denn Restfeuchte in Form von feinen Tröpfchen kann die Tur binenradoberflächen und die Turbinendüsen (Nozzles) zerstören, da die Luft in der Tubine T nahezu Schallgeschwindigkeit erreicht. Eine zweite Funktion des Wärmetauschers REH besteht darin, den Kondensator CON zu entlasten, indem die komprimierte, gekühlte Zapfluft vor Ein tritt in den Kondensator CON um entsprechend ΔT = -5 K gekühlt wird.In the high pressure water separation circuit, in addition to the con condenser CON a heat upstream of the condenser CON exchanger REH ("Reheater") provided. Through the heat exchanger REH the compressed, cooled bleed air is first conducted before it enters the condenser CON enters, and then by the heat Meters REH the dehumidified air then passed again before entering the turbine T enters. The heat exchanger REH essentially has lichen the task of increasing the dehumidified air by approx warm and residual moisture from the dehumidified air at the same time Energy recovery to evaporate before the air enters the turbine entry. The door can handle residual moisture in the form of fine droplets destroy the pinion gear surfaces and the turbine nozzles (nozzles) because the Air in tube T almost reached the speed of sound. A second Function of the heat exchanger REH is the condenser To relieve CON by the compressed, cooled bleed air before on enters the condenser CON to be cooled according to ΔT = -5 K.

Die in der Turbine T gewonnene Energie wird dazu benutzt, einerseits den Verdichter C und andererseits ein Gebläse F ("Fan") anzutreiben. Alle drei Räder, das heißt Turbine/Verdichter/Gebläse, sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und bilden die Air Cycle Machine ACM, die auch als Drei-Rad-Maschine bezeichnet wird. Das Gebläse F fördert einen aus der Umgebungsluft abgezweigten Kühlluftstrom durch einen Kühlschacht, in dem die Primär- und Hauptwärmetauscher PHX, MHX angeordnet sind. Das Gebläse F muß insbesondere im Bodenbe trieb aktiv durch die Turbine T angetrieben werden. Im Flugbetrieb reicht die Stauluft ("Ram Air") zum Antrieb des Gebläses aus, die gegebenenfalls durch eine regelbare Klappe am Kühlschachteintritt ge drosselt werden kann.The energy obtained in the turbine T is used on the one hand to drive the compressor C and on the other hand a fan F ("fan"). All three wheels, i.e. turbine / compressor / blower, are on one arranged common shaft and form the Air Cycle Machine ACM, also known as a three-wheel machine. The blower F promotes a cooling air flow branched off from the ambient air a cooling shaft in which the primary and main heat exchangers PHX, MHX are arranged. The fan F must in particular in the floor driven actively by the turbine T. In flight operations the ram air ("Ram Air") is sufficient to drive the fan if necessary, through an adjustable flap at the cooling shaft inlet can be throttled.

Das Gesamtsystem ist für den Bodenbetrieb bei einer Umgebungs temperatur von 38°C ausgelegt. Um die Effektivität des Wärme tauschprozesses im Kühlschacht zu optimieren, wird das im Hochdruck wasserabscheidekreislauf gewonnene Wasser mit einer Temperatur von ca. T = 25°C und einem Druck von 3,5 bar dem Kühlschachteintritt in feinen Tröpfchen zur dortigen Verdampfung zugeführt, wodurch die Effektivität der Wärmetauscher verbessert wird.The overall system is for ground operation in one environment temperature of 38 ° C. To the effectiveness of heat Optimizing the exchange process in the cooling shaft will be done at high pressure water separation circuit recovered water with a temperature of T = 25 ° C and a pressure of 3.5 bar when entering the cooling shaft fine droplets for evaporation there, whereby the Effectiveness of the heat exchanger is improved.

Für den Fall, daß die Air Cycle Machine ACM vollständig ausfällt, weil zum Beispiel der notwendige Druckluftmassenstrom nicht erreichbar ist, um die für das Funktionieren des Systems erforderlichen Parameter zu erfüllen, ist ein Bypassventil BPV ("bypass valve") vorgesehen, um die Turbine T zu umgehen. In diesem Fall öffnet automatisch ein Über lastventil CV ("check valve"), indem sich vor dem Verdichter C man gels Antriebs durch die Turbine T ein das Überlastventil CV auslösender Überdruck aufbaut. Durch Öffnung des Überlastventils CV wird der Verdichter C umgangen bzw. "kurzgeschlossen". In diesem Zustand wird die Frischluft unmittelbar durch Vor- und Hauptwärmetauscher PHX, MHX direkt der dem Klimatisierungssystem nachgeschalteten Mischkammer zum Mischen mit rezirkulierter Kabinenluft zugeführt.In the event that the Air Cycle Machine ACM fails completely because for example the necessary compressed air mass flow cannot be reached, to set the parameters necessary for the system to work , a bypass valve BPV ("bypass valve") is provided to the Bypass Turbine T. In this case, an About opens automatically load valve CV ("check valve"), in front of the compressor C man gels driven by the turbine T a triggering the overload valve CV Overpressure builds up. By opening the overload valve CV the Compressor C bypassed or "short-circuited". In this condition the fresh air is directly through the preheater and main heat exchanger PHX, MHX directly downstream of the air conditioning system Mixing chamber supplied for mixing with recirculated cabin air.

Wie eingangs erwähnt, stellt die Eisbildung in der aufbereiteten Frisch luft ein Problem dar. Um die Eisbildung zu vermeiden, ist ein Ent eisungsventil AIV ("anti icing valve") vorgesehen, mit dem unmittelbar von der dem Triebwerk abgezapften Luft ein Teil abgezweigt und hinter der Turbine T dem aufbereiteten Luftstrom wieder zugeführt wird.As mentioned at the beginning, the formation of ice in the prepared freshness is a problem. To avoid ice formation, a Ent anti-icing valve (AIV) provided with the immediate a portion of the air drawn from the engine is branched off and behind the turbine T is fed back to the conditioned air flow.

Eine thermodynasch verbesserte Variante dieses Klimatisierungssystems sieht vor, daß die Air Cycle Machine ACM um eine zweite Turbine erweitert wird. Aus der Drei-Rad-Maschine Turbine/Verdichter/Gebläse wird dadurch eine Vier-Rad-Maschine Turbine/Turbine/Verdichter/ Gebläse (US 5,086,622). Die zweite Turbine ist mit den übrigen Rädern auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, um wie bei dem herkömm lichen Drei-Rad-System die durch die Turbinen gewonnene Energie in das Klimatisierungssystem zurückzuführen. Die zweite Turbine ergänzt die erste Turbine derart, daß die im Hochdruckwasserabscheidekreislauf entfeuchtete Luft in zwei Stufen entspannt wird, wobei der Kondensator des Hochdruckwasserabscheidekreislaufs in wärmetauschender Weise mit der Luftleitung zwischen den beiden Turbinen angeordnet ist. Dies ist energetisch günstiger als der herkömmliche Aufbau des Klimatisierungs systems, weil die aus der ersten Turbine austretende Luft vergleichs weise warm ist, zur Eisvermeidung vorzugsweise über 0°C, und diese Luft in dem Kondensator CON um beispielsweise ΔT = +15 Kelvin auf ein vergleichsweise hohes Energieniveau aufgewärmt wird, so daß die zweite Turbine dieses hohe Energieniveau zur Energiegewinnung nutzen kann, die bei dem herkömmlichen System verlorengeht. In Fachkreisen ist dieses System als "condensing-cycle" bekannt.A thermodynamically improved variant of this air conditioning system provides that the Air Cycle Machine ACM has a second turbine is expanded. From the three-wheel machine turbine / compressor / blower becomes a four-wheel machine turbine / turbine / compressor / Blower (US 5,086,622). The second turbine is with the rest of the wheels arranged on a common shaft, as in the conventional three-wheel system the energy generated by the turbines in attributed the air conditioning system. The second turbine added the first turbine so that in the high pressure water separation circuit dehumidified air is expanded in two stages, the condenser of the high pressure water separation circuit in a heat-exchanging manner the air line is arranged between the two turbines. This is energetically cheaper than the conventional air conditioning system systems because the air exiting the first turbine is comparative is warm, preferably above 0 ° C to avoid ice, and this Air in the condenser CON by, for example, ΔT = +15 Kelvin a comparatively high energy level is warmed up so that the second turbine use this high energy level to generate energy that is lost in the conventional system. In specialist circles this system is known as a "condensing cycle".

Als problematisch bei den zuvor beschriebenen Klimatisierungssystemen erweist sich das Abzapfen der aufzubereitenden Frischluft direkt aus dem Triebwerk. Denn mit sinkendem Triebwerkluftdurchsatz bei gleich bleibender Leistung steigt die Triebwerktemperatur. Da die Triebwerke aber bereits an ihrer oberen zulässigen Temperaturgrenze betrieben werden, ist ein Abzapfen der aufzubereitenden Luft aus dem Triebwerk zwangsläufig mit einer Verminderung der Triebwerkleistung verbunden.As problematic with the air conditioning systems described above the extraction of the fresh air to be treated proves itself directly the engine. Because with decreasing engine air throughput at the same time the engine temperature rises. Because the engines but already operated at their upper permissible temperature limit is tapping the air to be treated from the engine inevitably associated with a reduction in engine performance.

Es wurde bereits früher vorgeschlagen, die benötigte Frischluft zur Klimatisierung der Flugzeugkabine durch einen separat angetriebenen Verdichter aus der Umgebungsluft anzusaugen und zu verdichten. Die dazu erforderliche Antriebsleistung und die dementsprechend notwendi gen Antriebsmaschinen sind jedoch enorm groß und schwer, was mit den an ein Flugzeug gestellten Anforderungen nicht vereinbar ist.It was suggested earlier that the fresh air required Air conditioning of the aircraft cabin by a separately powered one To suck in and compress the compressor from the ambient air. The drive power required for this and the necessary accordingly However, prime movers are huge and heavy, what with is not compatible with the requirements placed on an aircraft.

Es wurde in diesem Zusammenhang auch vorgeschlagen, einen Teil der benötigten Frischluft mittels einem von der Turbine angetriebenen Ver dichter aus der Umgebung anzusaugen, zu verdichten und dem Zapfluft strom zuzuführen, um als Mischluftstrom in der Turbine entspannt und dadurch gekühlt zu werden. Es ist jedoch schwierig, ein solches System energetisch günstig in konstruktiv akzeptabler Weise umzusetzen, ins besondere hinsichtlich kompakter und wenig komplexer Bauweise sowie mit geringem Gewicht. In this context, it was also proposed to be part of the required fresh air by means of a turbine driven Ver to draw more densely from the environment, to compress and the bleed air supply current to relax as a mixed air stream in the turbine and thereby being cooled. However, such a system is difficult to implement energetically favorable in a constructively acceptable manner, ins special in terms of compact and less complex construction as well with light weight.

In der US 5,299,763 wird vorgeschlagen, den Umgebungsluftstrom und den Zapfluftstrom in der Turbine miteinander zu vereinen. Aber dieses System hat sich nicht durchsetzen können. Insbesondere sind in diesem System zwei Hochdruckwasserabscheidekreisläufe zu realisieren mit entsprechenden Gewichtsnachteilen und komplexer Bauweise. Auch die dafür eingesetzte Turbine ist durch ihre Zweiteilung äußerst komplex und vom Wirkungsgrad her nicht optimal.In US 5,299,763 it is proposed that the ambient air flow and combine the bleed air flow in the turbine. But this System could not prevail. In particular are in this System to implement two high pressure water separation circuits with corresponding weight disadvantages and complex construction. Also the the turbine used for this is extremely complex due to its division into two and not optimal in terms of efficiency.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Klimatisierungs system und ein Klimatisierungsverfahren mit effektiver Wasserabschei dung vorzuschlagen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist, die Trieb werkleistung nur wenig beeinträchtigt und die obengenannten konstrukti ven Nachteile vermeidet.The object of the invention is therefore an air conditioning system and an air conditioning process with effective water separation propose that has a high efficiency, the drive work performance only slightly affected and the above construction avoids disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 18 gelöst.This object is solved by claims 1 and 18 solved.

Dazu ist vorgesehen, daß nur ein Teil der aufzubereitenden Frischluft bei vergleichsweise hohem Druck aus dem Triebwerk abgezapft wird (Zapfluft). Der andere Teil der aufzubereitenden Frischluft wird aus der Umgebungsluft, vorzugsweise als Stauluft ("Ram Air") abgesaugt, ver dichtet und mit dem unter Überdruck stehenden Zapfluftstrom zu einem Mischluftstrom vereint. Der Mischluftstrom wird dann entspannt, vor zugsweise in einer oder mehreren Turbinenstufen. Die bei der Entspan nung gewonnene Energie kann regenerativ zum Verdichten des ange saugten Umgebungsluftstroms genutzt werden.For this purpose, it is provided that only part of the fresh air to be treated is tapped from the engine at comparatively high pressure (Bleed air). The other part of the fresh air to be treated is from the Ambient air, preferably extracted as ram air, ver seals and with the pressurized bleed air flow to one Mixed air flow united. The mixed air flow is then expanded before preferably in one or more turbine stages. The one at the relaxation Energy obtained can be regeneratively used to compress the energy sucked ambient air flow can be used.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist weiter vorgesehen, daß der Zapfluftstrom in wärmetuschender Weise am Mischluftstrom vorbei geführt wird, um den Zapfluftstrom vor dem Zusammenführen mit dem Umgebungsluftstrom zu kühlen. Dies ist wesentlich für eine effektive Wasserabscheidung aus dem Zapfluftstrom. Die Effektivität der Wasser abscheidung resultiert insbesondere daraus, daß der an dem Zapfluftmassenstrom vorbeigeführte, kühlere Mischluftmassenstrom vergleichsweise groß gegenüber dem Zapfluftmassenstrom ist, vorzugsweise im Verhält nis von etwa 100 zu 65.To solve the aforementioned problem it is further provided that the Bleed air flow past the mixed air flow in a heat-exchanging manner is led to the bleed air flow before merging with the To cool the ambient air flow. This is essential for an effective one Water separation from the bleed air flow. The effectiveness of water Separation results in particular from the fact that at the bleed air mass flow bypassed, cooler mixed air mass flow comparatively is large compared to the bleed air mass flow, preferably in a ratio nis from about 100 to 65.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zapfluftstrom zweimal am Misch luftstrom in wärmetauschender Weise vorbeigeführt wird, nämlich ein mal bevor der Mischluftstrom entspannt wird und ein anderes Mal nach dem der Mischluftstrom entspannt worden ist.It is particularly advantageous if the bleed air flow is mixed twice on the mixer air flow is passed in a heat-exchanging manner, namely a sometimes before the mixed air flow is released and another time after where the mixed air flow has been relaxed.

Das Wasser wird dann vorzugsweise aus dem Mischluftstrom vor der Entspannung des Mischluftstroms ausgeschieden, kann aber auch oder zusätzlich bereits zuvor aus dem verdichteten Umgebungsluftstrom bzw. dem abgekühlten Zapfluftstrom ausgeschieden werden.The water is then preferably from the mixed air stream before Relaxation of the mixed air flow eliminated, but can also or additionally from the compressed ambient air flow or cooled down bleed air flow.

Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem mit der sehr effektiven Wasserabscheidung aus dem Zapfluftstrom ermöglicht die Verwendung eines einzigen Wasserabscheidekreislaufs und einer herkömmlichen, dem Wasserabscheidekreislauf nachgeschalteten Turbine zur Entspannung des Mischluftstroms. Das System umfaßt in etwa die gleiche Anzahl an Komponenten wie ein Klimatisierungssystem, bei dem der gesamte auf zubereitende Kühlluftstrom vom Triebwerk abgezapft wird. Die besonde re Strömungsführung des Zapfluftstroms und des verdichteten Um gebungsluftstroms durch diese Systemkomponenten ergibt ein Klimatisie rungssystem mit effektiver Wasserabscheidung, das einen hohen Wir kungsgrad aufweist, wobei die Triebwerkleistung nur wenig beein trächtigt ist und wobei das System kompakt und wenig komplex bei geringem Gewicht ausgeführt werden kann, zumal keine zusätzlichen Komponenten benötigt werden.The air conditioning system according to the invention with the very effective Water separation from the bleed air flow enables use of a single water separation circuit and a conventional one, the Water separation circuit downstream turbine to relax the Mixed air flow. The system comprises approximately the same number Components like an air conditioning system where the whole is on Preparing cooling air flow is tapped from the engine. The special one right flow of the bleed air flow and the compressed order air flow through these system components results in a climate control system with effective water separation, which is highly effective has degree of efficiency, with the engine performance having little effect is pregnant and the system is compact and not very complex low weight can be carried out, especially since no additional Components are needed.

Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem besitzt somit zwei Kreis läufe, einen ersten Kreislauf für die Zapfluft und einen zweiten Kreislauf für die Umgebungsluft, die in einem Mischpunkt zusammengeführt werden, an dem sich für beide Kreisläufe derselbe Druck, das ist der Mitteldruck, einstellt. Dieser Aufbau bedingt, daß eine Änderung von Parametern in dem einen Kreislauf automatisch auf den jeweils anderen Kreislauf zurückwirkt, so daß sich ein selbstjustierendes Gesamtsystem ergibt.The air conditioning system according to the invention thus has two circles runs, a first circuit for the bleed air and a second circuit for the ambient air, which is brought together in a mixing point pressure that is the same for both circuits, that is the Medium pressure. This structure means that a change from Parameters in one circuit automatically on the other Circulation acts back, so that a self-adjusting overall system results.

Im Mischpunkt stellt sich ein Mitteldruck ein, der zwischen dem Druck der abgezapften Triebwerkluft und dem Umgebungsdruck bzw. Stau druck liegt. Die Zapfluft wird dem System mit einem Druck im Bereich von 1,5 bar im Flugbetrieb und 4 bar im Bodenbetrieb, vorzugsweise 2 bar bzw. 3,5 bar zugeführt. Das Gesamtsystem wird dann vorzugsweise so ausgelegt, daß sich bei einem Verhältnis zwischen dem Zapfluftmas senstrom und dem verdichteten Umgebungsluftmassenstrom von ca. 65 : 35 am Mischpunkt ein Mischluftdruck von ca. 3,4 bar im Bodenbetrieb einstellt.At the mixing point there is a medium pressure that lies between the pressure the blown engine air and the ambient pressure or traffic jam pressure lies. The bleed air is supplied to the system with a pressure in the area of 1.5 bar in flight mode and 4 bar in ground mode, preferably 2 bar or 3.5 bar. The overall system is then preferred designed so that there is a ratio between the bleed air flow and the compressed ambient air mass flow of approx. 65:35 At the mixing point, a mixed air pressure of approx.3.4 bar in ground operation sets.

Sowohl die Zapfluft als auch die verdichtete Umgebungsluft werden zum Zwecke der Abkühlung und nachfolgenden Wasserabscheidung zualler erst jeweils in einem Wärmetauschprozeß, beispielsweise im Kreuz gegenstrom, mit einem Kühlluftstrom aus unverdichteter und daher vergleichsweise kühler Umgebungsluft abgekühlt. Vorteilhafterweise sind der Wärmetauscher zur Abkühlung des verdichteten Umgebungsluft stroms und der Wärmetauscher zur Abkühlung des Zapfluftstroms in Reihe geschaltet, so daß sie nacheinander von dem Kühlluftstrom aus unverdichteter Umgebungsluft durchströmt werden. Dadurch kann der Strömungskanal für den Kühlluftstrom vergleichsweise schmal gehalten werden und kompakt ausgebildet sein, was sich positiv auf das Gewicht des Gesamtsystems auswirkt. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher zum Abkühlen der verdichteten Umgebungsluft vor dem Wärmetauscher zur Abkühlung der Zapfluft angeordnet, um unter Ausnutzung des maxima len Temperaturgefälles den verdichteten Umgebungsluftstrom auf eine derart niedrige Temperatur abkühlen zu können, daß Wasser aus dem verdichteten Umgebungsluftstrom kondensiert.Both the bleed air and the compressed ambient air become Purposes of cooling and subsequent water separation for all only in a heat exchange process, for example in a cross counterflow, with a cooling air flow from undensified and therefore comparatively cool ambient air cooled. Are advantageous the heat exchanger for cooling the compressed ambient air flow and the heat exchanger for cooling the bleed air flow in Series connected so that they are sequentially from the cooling air flow through uncompressed ambient air. This allows the Flow channel for the cooling air flow kept comparatively narrow be and compact, which has a positive effect on weight of the overall system. The heat exchanger is preferably used for Cooling of the compressed ambient air in front of the heat exchanger Cooling of the bleed air arranged to take advantage of the maxima len temperature gradient the compressed ambient air flow to a to cool such a low temperature that water from the condensed ambient air flow condensed.

Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann durch geeignete Auslegung der zugehörigen Wärmetauscher optimiert werden. Ein hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers für die Zapfluft wird durch eine hohe Findich te erzielt, wobei ein hoher Druckabfall über den Wärmetauscher in Kauf genommen werden kann, weil die Zapfluft ohnehin bei einem vergleichs weise hohen Druck aus dem Triebwerk abgezapft wird.The efficiency of the overall system can be suitably designed the associated heat exchanger can be optimized. A high level of efficiency the heat exchanger for the bleed air is through a high findich te achieved, with a high pressure drop across the heat exchanger in purchase can be taken because the bleed air in a comparison anyway as high pressure is tapped from the engine.

Das Luftmassenstromverhältnis zwischen abgezapfter Triebwerkluft und verdichteter Umgebungsluft ist hoch und liegt vorzugsweise etwa bei 65 zu 35. Wegen des vergleichsweise geringen Massenstroms der verdich teten Umgebungsluft kann der Wärmetauscher zur Abkühlung der ver dichteten Umgebungsluft mit einem hohen Wirkungsgrad bei geringerer Findichte ausgelegt werden, wobei sich ein niedriger Druckverlust über diesen Wärmetauscher einstellt. Der Wirkungsgrad ist insbesondere dann besonders hoch, wenn der gesamte Kühlluftstrom zur Kühlung des relativ kleinen Umgebungsluftstroms genutzt wird (d. h. bei Reihenschal tung der Wärmetauscher im Kühlluftströmungskanal) und wenn zusätz lich vorzugsweise die gesamte Kühlleistung aus der Verdampfung des im Hochdruckwasserabscheidekreislaufs gewonnenen Wassers diesem Wärmetauscher zur Verfügung gestellt wird.The air mass flow ratio between blown engine air and compressed ambient air is high and is preferably around 65 to 35. Because of the comparatively low mass flow, the compression ambient air, the heat exchanger can be used to cool the ver sealed ambient air with high efficiency at lower Findichtiches are designed, with a low pressure drop across sets this heat exchanger. The efficiency is especially then particularly high if the entire cooling air flow for cooling the relatively small ambient air flow is used (i.e. in series formwork heat exchangers in the cooling air flow duct) and if additional Lich preferably the total cooling capacity from the evaporation of the High pressure water separation circuit water obtained this Heat exchanger is provided.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Entspan nung der Mischluft in zwei Turbinenstufen erfolgt, wobei zwischen den beiden Turbinenstufen der Kondensator des Hochdruckwasserabscheide kreislaufs angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann der Wirkungs grad des Systems weiter verbessert werden. Vorteilhafterweise wird dabei in einem zusätzlichen Wasserabscheider Wasser aus der Mischluft ausgeschieden, nachdem die Mischluft in der ersten Turbinenstufe ent spannt wurde. Diese zusätzliche Wasserabscheidung ist nicht nur in dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem vorteilhaft, sondern in jedem System mit zweistufiger Entspannung und dazischen angeordnetem Kondensator.Another embodiment of the invention provides that the relaxation Mixing air takes place in two turbine stages, whereby between the two turbine stages the condenser of the high pressure water separator circuit is arranged. With this measure, the effect degree of the system can be further improved. Advantageously water from the mixed air in an additional water separator excreted after the mixed air ent in the first turbine stage was tensioned. This extra water separation isn't just in that Air conditioning system according to the invention described here advantageous, but in every system with two-stage relaxation and in between arranged capacitor.

Eine noch weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß nicht nur die Entspannung des Mischluftstroms, sondern auch die Verdichtung der angesaugten Umgebungsluft zweistufig erfolgt, wobei jeweils ein Turbinenrad und ein Verdichterrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Insgesamt sind also zwei voneinander getrennte Wellen mit jeweils einem Turbinenrad und einem Verdichterrad vorgesehen. Dadurch läßt sich eine wesentlich flexiblere Auslegung des Gesamtsystems und somit ein noch höherer Wirkungsgrad insbesondere im Flugbetrieb erzielen.A still further embodiment of the invention provides that not only the relaxation of the mixed air flow, but also the compression of the sucked in ambient air takes place in two stages, each with a turbine wheel and a compressor wheel arranged on a common shaft are. In total there are two separate waves with each a turbine wheel and a compressor wheel are provided. This leaves a much more flexible design of the overall system and thus achieve an even higher efficiency, especially in flight operations.

In allen vorgenannten Ausführungen der Erfindung kann vorteilhafter weise auf einer gemeinsamen Welle mit dem Turbinenrad und dem Verdichterrad auch ein Motor vorgesehen sein. Dieser Motor ermöglicht es dem Klimatisierungssystem bei Spitzenlasten zusätzlich Energie zur Erzeugung von zusätzlicher Frischluftmenge und/oder Kühlleistung zu führen zu können. Im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei Wellen mit jeweils einem Turbinenrad und einem Verdichterrad vorgesehen sind, kann dieser Motor insbesondere im Flugbetrieb auch als Generator benutzt werden.In all of the aforementioned embodiments of the invention can be more advantageous wise on a common shaft with the turbine wheel and the Compressor wheel, a motor can also be provided. This engine enables it provides the air conditioning system with additional energy at peak loads Generation of additional fresh air volume and / or cooling capacity to be able to lead. In connection with the embodiment of the Invention in which two shafts, each with a turbine wheel and a compressor wheel are provided, this motor can in particular can also be used as a generator in flight operations.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4 beispielhaft beschrieben. Die Figuren zeigen:The invention is described below by way of example with reference to FIGS. 1 to 4. The figures show:

Fig. 1 ein Schema zu einer Ausführungsform eines Klimatisierungs systems; Figure 1 is a diagram of an embodiment of an air conditioning system.

Fig. 2 ein Schema einer verbesserten Ausführungsform des Systems aus Fig. 1; Figure 2 is a schematic of an improved embodiment of the system of Figure 1;

Fig. 3 ein Schema einer weiter verbesserten Ausführungsform des Systems aus Fig. 2; und Figure 3 is a schematic of a further improved embodiment of the system of Figure 2; and

Fig. 4 ein Klimatisierungssystem nach dem Stand der Technik. Fig. 4 shows an air conditioning system according to the prior art.

Fig. 1 zeigt ein Klimatisierungssystem, das einen Zapfluftkreislauf und einen weiteren Kreislauf für aus der Umgebung angesaugte Luft ("Um gebungsluftkreislauf") umfaßt. Der Zapfluftkreislauf entspricht zum großen Teil dem anhand von Fig. 4 in bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Klimatisierungssystem. Allerdings wird der Zapfluft strom nach Passieren des Primärwärmetauschers PHX nicht weiter ver dichtet, sondern unmittelbar in den Hochdruckwasserabscheidekreislauf überführt. Eine Verdichtung des Zapfluftstroms ist nicht erforderlich, weil die Luft ohnehin bei einem vergleichsweise hohen Druck vom Triebwerk abgezapft wird. Da die Verdichtungsstufe entfällt, braucht der Zapfluftstrom auch nicht notwendigerweise durch den zweiten Wärme tauscher MHX geleitet zu werden. Fig. 1 shows an air conditioning system, which includes a bleed air circuit and a further circuit for air sucked in from the environment ("To ambient air circuit"). The bleed air circuit largely corresponds to the air conditioning system described with reference to FIG. 4 in relation to the prior art. However, the bleed air flow is no longer compressed after passing through the primary heat exchanger PHX, but is immediately transferred to the high-pressure water separation circuit. It is not necessary to compress the bleed air flow because the air is drawn from the engine anyway at a comparatively high pressure. Since the compression stage is omitted, the bleed air flow does not necessarily have to be passed through the second heat exchanger MHX.

Im einzelnen ist der Zapfluftstromkreislauf folgendermaßen strukturiert. Über ein Durchsatzregelventil FCV wird ein Teil des aufzubereitenden Frischluftstroms vom Triebwerk bei hohem Druck abgezapft und dem Klimatisierungssystem mit einem Eingangsdruck im Bereich von 1,5 bar im Flugbetrieb bis 4 bar im Bodenbetrieb, vorzugsweise 3,5 bar im Bodenbetrieb, zur Verfügung gestellt. Der Zapfluftstrom wird dann durch einen Stauluftwärmetauscher bzw. Primärwärmetauscher PHX geleitet und abgekühlt. In einem Hochdruckwasserabscheidekreislauf erfolgt dann eine weitere Abkühlung des Zapfluftstroms, um Feuchtig keit aus dem Zapfluftstrom auszufällen. Dazu wird der Zapfluftstrom zunächst in einem Wärmetauscher REH an einem aus Zapfluftstrom und verdichtetem Umgebungsluftstrom gebildeten, kühlerem Mischluftstrom vorbeigeführt (noch bevor der Mischluftstrom in einer nachfolgenden Turbine entspannt wird). Im Anschluß daran wird der so vorgekühlte Zapfluftstrom durch einen als Kondensator wirkenden Wärmetauscher CON erneut an dem Mischluftstrom vorbeigeführt (wobei der Mischluft strom jedoch inzwischen in der Turbine T entspannt und dement sprechend stark abgekühlt wurde). Der Zapfluftstrom, der vor Eintritt in den Primärwärmetauscher PHX eine Temperatur von etwa 200°C und vor Eintritt in den Wärmetauscher REH eine Temperatur von etwa 50°C hat, gelangt dann mit einer Temperatur von etwa 30°C zum Mischpunkt "X", wo er mit aufbereiteter Umgebungsluft zusammengeführt wird. Vorzugsweise wird erst nach dem Mischen des Zapfluftstroms mit dem verdichteten Umgebungsluftstrom die aus dem Zapfluftstrom ausgefällte Flüssigkeit in einem Wasserabscheider WE2 abgeschieden. Der hinter dem Kondensator CON in Fig. 1 dargestellte Wasserabscheider WE1 ist optional und kann zusätzlich oder anstelle des Wasserabscheiders WE2 vorgesehen werden.The bleed air circuit is structured as follows. A flow control valve FCV draws some of the fresh air flow to be processed from the engine at high pressure and makes it available to the air conditioning system with an inlet pressure in the range from 1.5 bar in flight operation to 4 bar in ground operation, preferably 3.5 bar in ground operation. The bleed air flow is then passed through a ram air heat exchanger or primary heat exchanger PHX and cooled. A further cooling of the bleed air flow then takes place in a high-pressure water separation circuit in order to precipitate moisture out of the bleed air flow. For this purpose, the bleed air flow is first guided in a REH heat exchanger past a cooler mixed air flow formed from the bleed air flow and compressed ambient air flow (even before the mixed air flow is expanded in a subsequent turbine). Subsequently, the pre-cooled bleed air flow is again guided past the mixed air flow by a heat exchanger CON acting as a condenser (the mixed air flow, however, has now been expanded in the turbine T and has accordingly been greatly cooled). The bleed air flow, which has a temperature of about 200 ° C before entering the primary heat exchanger PHX and a temperature of about 50 ° C before entering the heat exchanger REH, then reaches the mixing point "X" at a temperature of about 30 ° C, where it is brought together with conditioned ambient air. The liquid precipitated from the bleed air stream is preferably separated in a water separator WE2 only after the bleed air stream has been mixed with the compressed ambient air stream. The water separator WE1 shown behind the condenser CON in FIG. 1 is optional and can be provided in addition to or instead of the water separator WE2.

Der Mischluftstrom wird, nach erfolgter Wasserabscheidung im Wasser abscheider WE2 und bevor er in der Turbine T entspannt wird, in dem als Reheater ausgelegten Wärmetauscher REH in wärmetauschender Weise an dem Zapfluftstrom vorbeigeführt, wodurch sich der Mischluft strom geringfügig erwärmt. Dadurch wird einerseits der Kondensator CON im Hochdruckwasserabscheidekreislauf entlastet und andererseits wird die Turbine T vor Beschädigung durch in dem Mischluftstrom enthaltene Wassertröpfchen geschützt, die beim Durchströmen des Re heaters REH verdampfen. Nach der Entspannung und Kühlung des Mischluftstroms in der Turbine T wird der Mischluftstrom durch den Kondensator CON in wärmetauschender Weise an dem Zapfluftstrom vorbeigeleitet und dabei aufgewärmt. Der so aufbereitete Mischluftstrom wird als Frischluftstrom einer Mischkammer (nicht dargestellt) zu geführt, in der der Mischluftstrom mit rezirkulierter Kabinenluft ge mischt wird.The mixed air flow is, after water separation in the water separator WE2 and before it is relaxed in the turbine T, in the REH heat exchanger designed as a reheater in heat exchanging Way past the bleed air flow, causing the mixed air current slightly warmed. On the one hand, this becomes the capacitor CON in the high pressure water separation circuit relieves and on the other hand the turbine T from being damaged by in the mixed air flow contained water droplets protected when flowing through the Re evaporate heaters REH. After relaxing and cooling the Mixed air flow in the turbine T is the mixed air flow through the Condenser CON in a heat-exchanging manner on the bleed air flow escorted past and warmed up. The mixed air flow prepared in this way is supplied to a mixing chamber (not shown) as a fresh air stream out, in which the mixed air flow with recirculated cabin air ge is mixed.

Der Umgebungsluftkreislauf ist wie folgt aufgebaut. Ein Umgebungsluft strom bzw. Stauluftstrom A wird über einen Verdichter C angesaugt, auf einen Mischdruck im Bereich von 1,5 bar im Flugbetrieb bis 4 bar im Bodenbetrieb, vorzugsweise auf etwa 3,4 bar im Bodenbetrieb, verdich tet und zur Abkühlung durch einen als Kondensator wirkenden Stauluft wärmetauscher MHX geleitet, bevor er im Mischpunkt "X" mit dem aufbereiteten und entfeuchteten Zapfluftstrom vereinigt wird. Des weiteren ist kurz vor dem Mischpunkt "X" ein Rückschlagventil CV vorgesehen, um ein Rückströmen zu verhindern, wenn der Druck der Zapfluft insbesondere im Flugbetrieb beim Öffnen des Bypassventils BPV1 über dem Druck der verdichteten Umgebungsluft liegt. Der in Fig. 1 im verdichteten Umgebungsluftstrom dargestellte Wasserabschei der WE3 ist ebenso wie der im Zapfluftstrom vorgesehene Wasserab scheider WE1 lediglich optional als Ergänzung zu dem Wasserabscheider WE2 vorgesehen. Die beiden Wasserabscheider WE1 und WE3 können in ihrer Kombination den Wasserabscheider WE2 aber auch vollständig ersetzen.The ambient air circuit is structured as follows. An ambient air flow or ram air flow A is sucked in via a compressor C, to a mixed pressure in the range from 1.5 bar in flight operation to 4 bar in ground operation, preferably to about 3.4 bar in ground operation, and condensed for cooling by an as Condenser ram air heat exchanger MHX passed before it is combined in the mixing point "X" with the prepared and dehumidified bleed air flow. Furthermore, a check valve CV is provided shortly before the mixing point "X" in order to prevent backflow if the pressure of the bleed air is above the pressure of the compressed ambient air, in particular during flight operation when the bypass valve BPV1 is opened. The water separator of the WE3 shown in the compressed ambient air flow in FIG. 1, like the water separator WE1 provided in the bleed air flow, is only optionally provided as a supplement to the water separator WE2. The combination of the two water separators WE1 and WE3 can also completely replace the water separator WE2.

Das in den Wasserabscheidern (WE1, WE2, WE3) abgeschiedene Wasser wird dem Stauluftwärmetauscher MHX zur dortigen Verdamp fung und Kühlung insbesondere des verdichteten Umgebungsluftstroms zugeführt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter erhöht.The separated in the water separators (WE1, WE2, WE3) Water becomes the MHX ram air heat exchanger for evaporation there tion and cooling, especially of the compressed ambient air flow supplied, which further increases the efficiency of the overall system elevated.

Am Mischpunkt "X" haben der Zapfluftstrom und der verdichtete Um gebungsluftstrom den gleichen Druck von im Bodenbetrieb vorzugsweise 3,4 bar und in etwa die gleiche Temperatur. Normalerweise liegt die Temperatur des Zapfluftstroms geringfügig unter der Temperatur des verdichteten Umgebungsluftstroms. Das Massestromverhältnis zwischen Zapfluftstrom und Umgebungsluftstrom kann im Bereich von 100 : 0 (z. B. im Flugbetrieb) bis 50 : 50 liegen und beträgt vorzugsweise etwa 65 : 35 im Bodenbetrieb.At the mixing point "X" the bleed air flow and the compressed Um air flow at the same pressure of preferably in ground operation 3.4 bar and roughly the same temperature. Usually that is Temperature of the bleed air stream slightly below the temperature of the compressed ambient air flow. The mass flow ratio between Bleed air flow and ambient air flow can range from 100: 0 (e.g. in flight operations) are up to 50:50 and is preferably about 65: 35 on the ground.

Das Verdichterrad C und die Turbine T sind zusammen mit dem Lüfter F auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Es handelt sich also auch hier um ein Drei-Rad-System, ähnlich der Air Cycle Machine ACM, wie in Fig. 4 in bezug auf den Stand der Technik beschrieben. Das heißt, die Energie, die beim Entspannen des Mischluftstroms in der Turbine T gewonnen wird, wird genutzt, um den Verdichter C und den Lüfter F anzutreiben. Diese Energie stammt ursprünglich aus dem Zapf luftstrom, das heißt, das hohe Energieniveau des Zapfluftstroms (m, p, T) wird im wesentlichen zur Verdichtung des Umgebungsluftstroms bzw. Stauluftstroms A genutzt.The compressor wheel C and the turbine T are arranged together with the fan F on a common shaft. This is also a three-wheel system, similar to the Air Cycle Machine ACM, as described in FIG. 4 in relation to the prior art. That is to say, the energy which is obtained when the mixed air stream is expanded in the turbine T is used to drive the compressor C and the fan F. This energy originally comes from the bleed air flow, which means that the high energy level of the bleed air flow (m, p, T) is essentially used to compress the ambient air flow or ram air flow A.

Das zuvor beschriebene Klimatisierungssystem wird in dieser Weise insbesondere im Bodenbetrieb und in niedrigen Flughöhen eingesetzt, wo die Abscheidung der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit von Bedeutung ist. Im Flugbetrieb in großen Höhen dagegen ist der Druck der Umgebungsluft bzw. der Stauluft A zu gering, um im Mischpunkt "X" einen technisch sinnvollen Mischpunktdruck zu realisieren. Daher ist im Umgebungsluftkreislauf eine Bypassleitung mit einem Bypassventil BPV1 vorgesehen, über die die im Verdichter C verdichtete und im Stauluft wärmetauscher MHX abgekühlte Umgebungsluft an der Turbine T vor beigeführt und dem entspannten, abgekühlten Zapfluftstrom erst vor der nicht dargestellten Mischkammer zugemischt wird.The air conditioning system described above is made in this way used particularly in ground operations and at low altitudes, where the separation of the moisture contained in the air is important is. In contrast, when flying at high altitudes, the pressure of the ambient air is or the ram air A is too low to be at the mixing point "X" to realize technically meaningful mixed point pressure. Therefore in Ambient air circuit a bypass line with a bypass valve BPV1 provided, via which the compressed in the compressor C and in the ram air heat exchanger MHX cooled ambient air on the turbine T before supplied and the relaxed, cooled bleed air flow only before mixing chamber, not shown, is admixed.

Des weiteren ist ein Enteisungventil AIV vorgesehen, mit dem verdich tete Umgebungsluft aus dem Umgebungsluftkreislauf dem Mischluft strom hinter der Turbine ungekühlt beigemischt wird, um einer Eisbil dung in dem durch die Entspannung sehr stark abgekühlten Mischluft strom entgegenzuwirken. Das Enteisungsventil hat gleichzeitig die Funk tion eines Temperaturregelventils sowie eines Abblasventils zur Ent lastung des Verdichters C, falls erforderlich. Zur Temperaturregelung kann aber auch oder gegebenenfalls zusätzlich Luft vom Zapfluftstrom abgezweigt und dem entspannten Mischluftstrom hinter der Turbine T beigemischt werden. Dazu dient das Temperaturregelventil TCV.A de-icing valve AIV is also provided, with which compression ambient air from the ambient air circuit to the mixed air electricity behind the turbine is added uncooled to an ice sheet dung in the mixed air cooled down very strongly by the expansion counteract electricity. The defrosting valve also has the radio tion of a temperature control valve and a relief valve for ent load of compressor C, if necessary. For temperature control but can also or possibly additional air from the bleed air flow branched off and the relaxed mixed air flow behind the turbine T be added. The TCV temperature control valve is used for this.

Ein zweites Bypassventil BPV2 ist in dem Zapfluftkreislauf vorgesehen, um den Hochdruckwasserabscheidekreislauf im Flugbetrieb zu umgehen. Da im Flugbetrieb in großen Höhen ohnehin nur trockene Luft aus dem Triebwerk abgezapft wird, würde der Hochdruckwasserabscheidekreis lauf zu einer unnötigen Reduzierung des Gesamtwirkungsgrads des Klimatisierungssystems führen. Das Bypassventil BPV2 wird vorzugs weise in Verbindung mit einer Dual-Nozzle-Turbine realisiert, um die Baugröße des Stauluftwärmeaustauschers PHX minimieren zu können.A second bypass valve BPV2 is provided in the bleed air circuit, to bypass the high pressure water separation circuit in flight operations. Because in flight operations at high altitudes only dry air from the Engine is tapped, the high pressure water separation circuit run to an unnecessary reduction in the overall efficiency of the Air conditioning system. The BPV2 bypass valve is preferred wise realized in connection with a dual nozzle turbine To minimize the size of the ram air heat exchanger PHX.

In dem zuvor beschriebenen Klimatisierungssystem ist es möglich, die Stauluftwärmetauscher MHX und PHX mit einem hohen Wirkungsgrad auszulegen, indem eine geeignete Findichte für die Wärmetauscher gewählt wird. Der Wärmetauscher PHX im Zapfluftkreislauf wird von einem großen Luftmassenstrom bei einem vergleichsweise hohen Druck durchströmt. Zur Erzeugung eines hohen Wirkungsgrads kann der Wärmetauscher PHX daher mit einen relativ hohen Druckabfall für die durchströmende Zapfluft ausgelegt werden, indem der Wärmetauscher mit einer vergleichsweise hohen Findichte ausgestattet wird. Der Wärmetauscher MHX im Umgebungsluftkreislauf wird dagegen von einem vergleichsweise geringen Luftmassenstrom bei einem etwas niedri geren Druck durchströmt. Der Druckverlust über den Wärmetauscher MHX ist auf ein minimales Maß zu begrenzen. Der Druckverlust Δp über den Wärmetauscher PHX liegt zwischen 0,05 bar und 0,3 bar, wohingegen der Druckverlust über den Wärmetauscher MHX lediglich zwischen 0,01 bar und 0,05 bar liegt.In the air conditioning system described above, it is possible to Ram air heat exchanger MHX and PHX with high efficiency to be interpreted by a suitable finder for the heat exchanger is chosen. The PHX heat exchanger in the bleed air circuit is operated by a large air mass flow at a comparatively high pressure flows through. To generate high efficiency, the Heat exchanger PHX therefore with a relatively high pressure drop for the bleeding air flowing through can be designed by the heat exchanger is equipped with a comparatively high finding density. The Heat exchanger MHX in the ambient air circuit, however, is from a comparatively low air mass flow with a somewhat low flows through lower pressure. The pressure loss across the heat exchanger MHX should be kept to a minimum. The pressure loss Δp via the PHX heat exchanger is between 0.05 bar and 0.3 bar, whereas the pressure loss via the MHX heat exchanger only is between 0.01 bar and 0.05 bar.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Wärmetauscher MHX und PHX in einem Kühlluftstromkanal in Serie geschaltet, so daß beide Wärme tauscher von dem gesamten Kühlluftstrom durchströmt werden. Dies bietet die eingangs erwähnten Vorteile und gestattet insbesondere eine kompakte und leichte Bauweise des Gesamtsystems.As can be seen in Fig. 1, the heat exchangers MHX and PHX are connected in series in a cooling air flow channel, so that both heat exchangers are flowed through by the entire cooling air flow. This offers the advantages mentioned at the outset and in particular allows the overall system to be compact and lightweight.

In Fig. 1 ist desweiteren gemeinsam mit der Turbine T, dem Verdichter C und dem Gebläserad F ein Motor M auf einer gemeinsamen Welle strichliniert dargestellt, der optional in dem Klimatisierungssystem vor gesehen werden kann, um dem Klimatisierungssystem im Falle von Spitzenbelastungen zusätzlich Energie zuführen zu können (Erhöhung der Frischluftmenge und/oder der Kühlleistung).In Fig. 1, together with the turbine T, the compressor C and the impeller F, a motor M is shown in dashed lines on a common shaft, which can optionally be seen in the air conditioning system in order to additionally supply energy to the air conditioning system in the event of peak loads can (increase in fresh air volume and / or cooling capacity).

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems wird der Mischluftstrom in zwei Turbinen T1 und T2 zweistufig entspannt. Der Kondensator des Hochdruckwasserabscheidekreislaufs ist in diesem Fall zwischen den beiden Turbinen T1 und T2 angeordnet, um einen Wär meaustausch zwischen dem enspannten und sehr kühlen Mischluftstrom und dem teilweise abgekühlten Zapfluftstrom zu gewährleisten. Ein Wasserabscheider WE4 hinter der ersten Turbine T 1 und vor dem Kondensator CON, der hier als Reheater fungiert, führt zu einer weiteren Erhöhung des Entfeuchtungsgrades der Mischluft, ist aber nicht unbedingt notwendig.Another embodiment is shown in FIG . To further improve the efficiency of the overall system, the mixed air flow is expanded in two stages in two turbines T1 and T2. The condenser of the high-pressure water separating circuit is arranged in this case between the two turbines T1 and T2 in order to ensure a heat exchange between the relaxed and very cool mixed air flow and the partially cooled bleed air flow. A water separator WE4 behind the first turbine T 1 and in front of the condenser CON, which functions here as a reheater, leads to a further increase in the degree of dehumidification of the mixed air, but is not absolutely necessary.

In Fig. 3 ist ein Klimatisierungssystem dargestellt, das gegenüber dem in Fig. 2 dargestellten System flexibler auslegbar ist, so daß ein noch höherer Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreichbar ist. Dazu ist vor gesehen, daß die Verdichtung der Umgebungsluft A zweistufig in zwei Verdichtern C1 und C2 erfolgt. Indem jeweils ein Verdichterrad mit einem Turbinenrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, ins gesamt also zwei voneinander unabhängige Wellen vorgesehen sind, werden zwei voneinander getrennte Maschinen geschaffen, die je für sich optimal ausgelegt werden können. Im dargestellten Fall wird die für die erste Verdichterstufe benötigte Energie von der zweiten Turbinen stufe geliefert, und die für die zweite Verdichterstufe benötigte Energie wird von der ersten Turbinenstufe geliefert.In Fig. 3, an air conditioning system is illustrated that is interpretable flexible compared to the illustrated in Fig. 2 system so that an even higher efficiency of the overall system can be reached. It is seen before that the compression of the ambient air A takes place in two stages in two compressors C1 and C2. By arranging a compressor wheel with a turbine wheel on a common shaft, thus providing a total of two independent shafts, two separate machines are created, each of which can be optimally designed. In the illustrated case, the energy required for the first compressor stage is supplied by the second turbine stage, and the energy required for the second compressor stage is supplied by the first turbine stage.

Die Maschine mit der Turbine T1 und dem Verdichter C2 kann im Flugbetrieb ausgeschaltet werden, zumal das Gebläse F im Flugbetrieb wegen des ohnehin zur Verfügung stehenden hohen Staudrucks nicht benötigt wird. Das Ausschalten der Drei-Rad-Maschine (T1, C2, F) wird realisiert, indem die Bypassventile BPV1 des Umgebungsluftkreis laufes und BPV2 des Zapfluftkreislaufes geöffnet werden.The machine with the turbine T1 and the compressor C2 can in Flight operations can be switched off, especially since the fan F in flight operations not because of the high back pressure already available is needed. Switching off the three-wheel machine (T1, C2, F) is realized by the bypass valves BPV1 of the ambient air circuit run and BPV2 of the bleed air circuit are opened.

Die Ausbildung des Klimatisierungssystems mit zwei voneinander ge trennten Maschinen, umfassend jeweils Verdichter und Turbinenrad auf gemeinsamer Welle, von denen eine im Flugbetrieb abgeschaltet werden kann, bietet weitere Vorteile, die daraus resultieren, daß systembedingt im Bodenbetrieb ein größeres Druckverhältnis zur Verfügung steht als im Flugbetrieb. Dadurch ist es energetisch günstig, im Bodenbetrieb eine relativ kleine Turbinennozzle (Leitgitterquerschnitt) vorzusehen. Diese kleine Nozzle wird durch Hintereinanderschalten der beiden Turbinen stufen realisiert, wobei sich eine "Gesamtnozzle" ergibt, die kleiner ist als jede einzelne Nozzle. Im Flugbetrieb wird aber trotz eines geringe ren, zur Verfügung stehenden Druckverhältnisses etwa derselbe Volumenstrom zum Klimatisieren der Flugzeugkabine benötigt, so daß im Flugbetrieb eine große Nozzle für etwa denselben Luftdurchsatz notwen dig wäre. Indem im Flugbetrieb die Drei-Rad-Maschine und damit die Turbinenstufe T1 für das Gesamtsystem ausgeschaltet wird, ergibt sich aufgrund der allein verbliebenen Turbine T2 der zweiten Turbinenstufe für das Gesamtsystem eine große Nozzle. Dadurch kann also der Wir kungsgrad im Flugbetrieb erhöht werden. Dieser Gewinn an Wirkungs grad wird vorzugsweise dazu genutzt, den Primär- und Hauptwärmetau scher mit möglichst geringer Baugröße und Gewicht zu gestalten unter der Randbedingung, daß die erforderliche Volumendurchflußmenge gerade noch erfüllt wird. Im Endeffekt kann also durch die Maßnahme, statt nur einer Maschine zwei Maschinen vorzusehen, eine geringere Baugröße der Wärmetauscher und damit ein geringeres Gesamtgewicht des Klimatisierungssystems erreicht werden.The formation of the air conditioning system with two ge separated machines, each comprising compressor and turbine wheel common wave, one of which are switched off during flight operations can, offers further advantages that result from the fact that system-related a greater pressure ratio is available in ground operation than in flight operations. As a result, it is energetically favorable to have one in the ground mode relatively small turbine nozzle (guide grid cross section) to be provided. This little nozzle is created by connecting the two turbines in series stages realized, resulting in an "overall nozzle" that is smaller than every single nozzle. In flight operations, however, despite a minor ren, available pressure ratio about the same volume flow needed for air conditioning the aircraft cabin, so that in Flight operations require a large nozzle for approximately the same air flow would be dig. By using the three-wheel machine and thus the Turbine stage T1 is switched off for the entire system due to the remaining turbine T2 of the second turbine stage a big nozzle for the overall system. So the we can efficiency in flight operations can be increased. This gain in effectiveness degree is preferably used for primary and main heat accumulation to be designed with the smallest possible size and weight under the boundary condition that the required volume flow rate is just about to be fulfilled. In the end, the measure, instead of providing two machines, a smaller one Size of the heat exchanger and thus a lower total weight of the air conditioning system can be achieved.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der mit dem Verdichter C1 und der Turbine T2 auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Motor M, insbesondere im Flugbetrieb, auch als Generator G fungieren, wenn beispielsweise aufgrund einer nur mit wenig Passagieren besetzten Kabine nicht die volle Frischluftmenge zur Verfügung gestellt zu werden braucht. In diesem Fall wird das Abblas ventil CSV ("Surge Valve") geöffnet, und das Bypassventil BPV1 ge schlossen, so daß der Umgebungsluftstrom A unverdichtet über das Abblasventil CSV wieder abgeblasen wird, also nicht über das Bypass ventil BPV1 der nicht dargestellten Mischkammer zugeführt wird. Der Verdichter C1 läuft dann leer mit bzw. verbraucht keinerlei Leistung, so daß die in der Turbine T2 durch die Entspannung der Zapfluft gewonne ne Energie statt zur Erzeugung von verdichteter Umgebungsluft in Generatorleistung umgesetzt werden kann.In the embodiment of the invention shown in FIG. 3, the motor M arranged with the compressor C1 and the turbine T2 on a common shaft, in particular in flight operation, can also function as a generator G if, for example, due to a cabin with only a few passengers, the motor does not full amount of fresh air needs to be made available. In this case, the blow-off valve CSV ("surge valve") is opened, and the bypass valve BPV1 is closed, so that the ambient air flow A is blown off uncompressed via the blow-off valve CSV, that is, it is not supplied via the bypass valve BPV1 to the mixing chamber (not shown) . The compressor C1 then runs idle or does not consume any power, so that the energy gained in the turbine T2 by relaxing the bleed air can be converted into generator power instead of producing compressed ambient air.

Claims

1. A method of treating air for air conditioning a room, comprising the following steps:

Bleeding off a first partial air stream under pressure ("bleed air stream") from an engine or auxiliary engine,
Bleeding and compression of a second partial air stream ("ambient air stream") from the environment,
Merging the bleed air flow and the compressed ambient air flow to form a mixed air flow,
- Relax the mixed air flow and
- forwarding the mixed air flow for air conditioning a room,

characterized by

- That the bleed air and the compressed ambient air are combined into a mixed air stream before it is expanded in a turbine and
- That the bleed air flow for cooling is passed in two stages at the mixed air flow, namely once before the relaxation and a further time after the relaxation of the mixed air flow in the turbine.

2. The method according to claim 1, characterized in that the compression energy in the ambient air during the step of relaxing the Mixed air flow obtained and used regeneratively.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for ver non-system energy is supplied to the ambient air.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio of the bleed air mass flow to the ambient air mass flow is between 100/0 and 50/50.

5. The method according to claim 4, characterized in that the ratio between bleed air mass flow and ambient air mass flow about 65/35 is.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that before the step of releasing the mixed air flow water from the Mixed air flow is excreted.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that from the bleed air flow and / or the compressed ambient air flow water is excreted in the step of merging them.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the ambient air flow during the compression step to a pressure in the loading is compressed from 0.8 bar to 4 bar.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the bleed air flow with an inlet pressure in the range of 1.5 bar in flight operated up to 4 bar is provided in the ground mode.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the pressure ratios of bleed air flow and ambient air flow are selected in this way be that a pressure of the mixed air flow when merging Bleed air flow and compressed ambient air flow of about 3.4 bar in ground operation.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the bleed air flow in a heat-exchanging manner on a separate cooling air current is passed and a relatively high pressure loss of about Δp = 0.05 bar to Δp = 0.3 bar.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the compressed ambient air flow in a heat-exchanging manner on one separate cooling air flow is passed and a relatively low Experiences pressure loss of approximately Δp = 0.01 to Δp = 0.05 bar.

13. The method according to claim 11 and 12, characterized in that first the compressed ambient air flow and then the bleed air flow in heat-exchanging past the separate cooling air flow.

14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that from the bleed air flow and / or the mixed air flow and / or the compression If the ambient air flow excreted water in the separate cooling air flow is supplied for evaporation.

15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the relaxation of the mixed air flow takes place in two stages and the mixed air flow between the two relaxation levels in a heat-exchanging manner the bleed air flow for cooling the bleed air flow is guided past.

16. The method according to claim 15, characterized in that after the Ent tension of the mixed air flow water is discharged from the mixed air flow.

17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the step of compressing the ambient air flow and the step of Relaxation of the mixed air flow take place in two stages, whereby for each a compression level energy from only one of the two flashings levels are used regeneratively.

18. An air conditioning system for treating pressurized air to air condition a room, comprising:

at least one compressor device (C; C1, C2) which is connected to ambient air and compresses a part of the air flow originating from the ambient air (“ambient air flow”),
- A mixing element ("X") in which the compressed ambient air flow is combined with a part of an engine bleed, pressurized air flow ("bleed air flow") to a mixed air flow, and
- At least one expansion device (T; T1, T2) in which the mixed air stream is expanded to a lower pressure and thereby cooled,

characterized,

that the mixing element ("X") is arranged in front of the expansion device,
- That a first heat exchanger (CON) is arranged so that it is flowed through by the mixed air flow after the mixed air flow has been relaxed in the tension device and
- That a second heat exchanger (REH) is arranged so that the mixed air flow flows through it before the mixed air flow is relaxed in the expansion device.

19. Air conditioning system according to claim 18, characterized in that the Relaxation device (T; T1, T2) at least one turbine wheel and Compressor device (C; C1, C2) at least one compressor wheel in common have a samer wave.

20. Air conditioning system according to claim 18 or 19, characterized in that a motor for supplying non-system energy for the compressors direction is provided.

21. Air conditioning system according to one of claims 18 to 20, characterized ge indicates that the compressor device (C; C1, C2) and the expansion tion device (T; T1, T2) are designed so that the ratio between the pumped bleed air mass flow and the pumped ambient air mass flow is in the range of 100/0 and 50/50.

22. Air conditioning system according to claim 21, characterized in that the Relationship between bleed air mass flow and ambient air mass flow in is about 65/35.

23. Air conditioning system according to one of claims 18 to 22, characterized ge indicates that between the mixing element ("X") and the relaxation device (T; T1) a water separator (WE2) is arranged.

24. Air conditioning system according to one of claims 18 to 23, characterized ge indicates that upstream of the mixing element ("X") Water separator (WE1; WE3) for separating water from the ver sealed ambient air flow and / or the bleed air flow is provided.

25. Air conditioning system according to one of claims 18 to 24, characterized ge indicates that the system is designed so that a pressure of the Mixed air flow at the mixing element ("X") of about 3.4 bar.

26. Air conditioning system according to one of claims 18 to 25, characterized ge indicates that the bleed air flow and the ambient air flow through a first and a second heat exchanger (PHX or MHX) on a cooling air flow are passed, the first heat exchanger (MHX) for Cooling of the compressed ambient air flow serves and in flow direction the cooling air flow in front of the second heat exchanger (PHX) for cooling of the bleed air flow is arranged.

27. Air conditioning system according to claim 26, characterized in that a Water injection device is provided with which from the bleed air flow and / or from the mixed air flow and / or from the compressed reverse Water excreted in the air before the first heat exchanger (MHX) is fed into the cooling air flow for evaporation there.

28. Air conditioning system according to one of claims 18 to 27, characterized ge indicates that the expansion device has two turbine stages (T1, T2) comprises and the (first) heat exchanger (CON) between the two turbos nenstufen is arranged.

29. Air conditioning system according to claim 28, characterized in that between between the two turbine stages (T1, T2) a water separator (WE4) is ordered.

30. Air conditioning system according to one of claims 18 to 29, characterized ge indicates that the compressor separate two compressor wheels (C2, C2) th waves and each compressor wheel (C1, C2) each with only one Turbine wheel (T2 or T1) is arranged on a common shaft.

31. Air conditioning system according to claim 30, characterized in that a the shaft is additionally equipped with a motor (M), which is also known as a gene rator (G) can act.

32. Air conditioning system according to claim 31, characterized in that in Direction of flow of the ambient air flow behind the compressor device (C1, C2) a blow-off valve (CSV) is provided to the intake vice to blow off air largely undensified.

33. Air conditioning system according to one of claims 18 to 32, characterized in that a bypass valve (BPV 1 ) is provided to mix the compressed ambient air flow with the bleed air flow only after its expansion in flight operation.

34. Air conditioning system according to one of claims 18 to 33, characterized ge indicates that a bypass valve (BPV2) is provided to operate in flight the bleed air flow past the mixing element ("X") directly the relaxation direction (T; T1, T2).